Fenomenul de generare a oscilațiilor de înaltă frecvență a curentului electric j într-un semiconductor în care caracteristica volt-amper este în formă de N (figura 1). Efectul a fost găsit pentru prima dată de fizicianul american J. Gunn (J. Gunn), în 1963, în cele două semiconductori cu conductivitate electronică :. arseniura de galiu (GaAs) și fosfură de indiu (InP).
Generarea se produce atunci când tensiune constantă V, aplicată pe o lungime de eșantion semiconductor l, astfel încât câmpul electric E în eșantion este egal E = V / l, se află în anumite limite, pentru a limita tensiunea de porțiunea de incident j caracteristică (E), unde rezistența diferențială negativ. Oscilațiile actuale au forma unei serii de impulsuri (figura 2). Frecvența repetării lor este invers proporțională cu lungimea eșantionului l.
Efectul Gann se datorează faptului că, în eșantion, o regiune a unui câmp electric puternic apare periodic, se mișcă de-a lungul acestuia și dispare, ceea ce se numește domeniul electric. Domeniul apare deoarece distribuția câmpului omogen cu rezistență diferențială negativă este instabilă.
Permiteți o distribuție neomogenă a concentrației de electroni sub forma unui strat dipol să aibă loc aleatoriu într-un semiconductor - într-o regiune concentrația de electroni a crescut, iar în cealaltă a scăzut (figura 3). Între aceste regiuni încărcate apare un câmp suplimentar (între plăcile unui condensator încărcat). Dacă se adaugă la câmpul extern E și rezistența diferențială a eșantionului este pozitivă, adică curentul crește cu câmpul de creștere E, atunci curentul din interiorul stratului este mai mare decât în afară (Dj> 0). Prin urmare, electronii din regiune cu o densitate crescută curg într-o cantitate mai mare decât să curgă în ea, ca urmare a dizolvării neomogenității care apare. Dacă, totuși, rezistența diferențială este negativă (curentul scade cu câmpul în creștere), atunci densitatea curentului este mai mică acolo unde câmpul este mai mare, adică în interiorul stratului. Inițial, eterogenitatea care a apărut nu rezolvă, ci, dimpotrivă, crește. Căderea de tensiune pe stratul dipol crește, de asemenea, dar în afara acestuia scade (deoarece tensiunea totală pe eșantion este setată). În final, se formează un domeniu electric, distribuția câmpului și densitatea de încărcare în care sunt reprezentate în Fig. 4. Câmpul din afara domeniului stabilit este mai mic decât pragul E1, astfel încât să nu apară noi domenii.
Deoarece domeniul format de transportatori - „liber“ conductivitate electron, se deplasează în direcția driftului cu viteza v, aproape de viteza de drift a transportatorilor din afara domeniului. De obicei, domeniul nu apare în interiorul eșantionului, ci la catod. După ce a ajuns la anod, domeniul dispare. Pe măsură ce dispare, scăderea tensiunii pe domeniu scade, iar în restul eșantionului, crește în mod corespunzător. În același timp, curentul din probă crește, deoarece câmpul din afara domeniului crește; Pe măsură ce acest câmp se apropie de câmpul de prag E1, densitatea curentului se apropie de jmakc maxim (figura 1). Când câmpul din afara domeniului depășește E1, un nou domeniu începe să se formeze la catod, curentul cade și procesul se repetă. Frecvența n a oscilațiilor actuale este egală cu timpul reciproc al trecerii domeniului prin eșantion: n = v / l. Aceasta demonstrează diferența semnificativă dintre efectul Gunn de a genera vibrații în altele. Instrumentele cu caracteristica tensiune-curent în formă de N, cum ar fi un lanț cu o diodă tunel, unde generația nu este asociată cu formarea și mișcarea domeniului și frecvența de oscilație este determinată de capacitate și inductanță circuitului.
În GaAs cu conductivitate electronică la temperatura camerei E1
V / cm, viteza domeniilor este v "cm / sec. De obicei se utilizează mostre de lungime l = 50-300 μm, astfel încât frecvența oscilațiilor generate este n = 0,3-2 GHz.
10-20 microni. G. e. a fost observată, în plus față de GaAs și InP, etc și în semiconductori electronice :. Ge, CdTe, ZnSe, InSb, și un tip p Ge.
Fig. 1. Caracteristică de curent de tensiune în formă de N, E este câmpul electric creat de diferența de potențial aplicată V, j este densitatea curentului.
Fig. 2. Forma oscilațiilor actuale în cazul efectului Gunn.
Fig. 3. Dezvoltarea unui domeniu electric. Electronii se mișcă de la stânga la dreapta, în fața câmpului E.
Fig. 4. Distribuția câmpului electric E (curba solidă) și a încărcării spațiului r (linie punctată) în domeniul electric.
Manifestarea exterioară a efectului este de a genera oscilații periodice curente în unele cristale (arseniură de galiu, fosfură indiu etc.) La depășirea intensității câmpului electric în cristal este o valoare critică. Perioada oscilațiilor care apar este determinată de timpul de zbor al electronilor de la catod la anod. Efectul a fost descoperit de J. Gann. În 1965 au apărut primele generatoare bazate pe dioda Gunn.
Efectul Gann este un efect tridimensional, generarea oscilațiilor actuale apare pe tot parcursul volumului cristalului, și nu în regiunea îngustă a joncțiunii pn. Prin urmare, este posibil să se obțină o putere foarte mare în microunde, mai degrabă dimensiuni miniaturate ale generatoarelor cu microunde (frecvențe de funcționare ale generatoarelor Gunn). Acum, generatoarele Gunn au fost create, furnizând puterea de până la câteva kilowați în modul pulsatoriu și mai multe watte în mod continuu.
Mecanismul fizic al efectului Gunn poate fi explicat pe baza teoriei de bandă a unui solid. Amplitudinea intensității câmpului electric critic depinde de câmpul magnetic; în unele cazuri, schimbarea mărimii efectului sau încetarea completă a generării oscilațiilor cu microunde poate fi cauzată de câmpul magnetic intrinsec al curentului care curge prin dispozitiv.
Pe baza acestui efect, au fost dezvoltate o serie de instrumente foarte utile. Acesta este un alt tip de generatoare și amplificatoare de radiație cu microunde, stabilizatoare de curent, circuite logice de mare viteză. De exemplu, un instrument neuristor volumetric a fost conceput pentru a simula comportamentul unei fibre nervoase.
Înapoi la cuprins: Fenomenele fizice
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: